Маршия Бьорнеруд - Осознание времени. Прошлое и будущее Земли глазами геолога

Подобно тому как люди не помнят своего рождения и первых лет жизни, Земля не сохранила прямых свидетельств своего возникновения и ранних дней существования. Летопись Земли начинается с едва заметных записей возрастом от 4,4 до 4,2 млрд лет, скрытых в небольшом количестве крошечных и удивительно долговечных кристаллов циркона, которые сохранились в зернах древнего песчаника в хребте Джек-Хиллс в далекой Западной Австралии. Эти самые древние объекты на планете вызывают жаркие споры с момента объявления об их открытии в знаменитой статье, опубликованной в журнале Nature в 2001 г. [24] Wilde, S., Valley, J., Peck, W., and Graham, C., 2001. Evidence from detritalzircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature , 409, 175–178. doi:10.1038/35051550

Циркон — мечта геохронолога (недаром Холмс использовал именно этот минерал для получения первых абсолютных датировок). Его кристаллическая структура такова, что при кристаллизации в нее могут встраиваться только атомы урана, но не свинца. А поскольку уран имеет два радиоактивных материнских изотопа, которые распадаются на разные дочерние изотопы свинца, сама природа встроила в циркон возможность перекрестной проверки на предмет потери дочерних изотопов: если значения возраста, полученные по соотношениям 206Pb/ 238U и 207Pb/ 235U, совпадают, т. е. являются конкордантными, или согласными, значит, потери свинца не было. Точность конкордантных уран-свинцовых датировок циркона поразительна: возраст самого старого циркона из Джек-Хиллс был определен в 4404 ± 8 млн лет, т. е. с погрешностью всего в 0,1 %, что значительно точнее соответствующих датировок на основе углерода-14. Не все потеряно даже в том случае, если происходила потеря свинца: статистический анализ дискордантных цирконов из образца породы позволяет определить не только их возраст кристаллизации, но зачастую и возраст метаморфического события, приведшего к потере свинца.

Кроме того, циркон — очень прочный минерал, способный выдерживать абразию и коррозию, которая разрушает другие минералы, и имеющий очень высокую температуру плавления, благодаря чему он может переживать метаморфические события, не теряя «памяти» о своем прошлом. Как любят говорить геохронологи, «цирконы вечны» (в отличие от алмазов — минералов, образованных в мантии при высоком давлении, которые на поверхности Земли медленно, но неумолимо превращаются в графит). Старые кристаллы циркона обычно имеют концентрические зоны роста, почти как годовые кольца у деревьев: сердцевина кристалла хранит историю своей первоначальной кристаллизации из магмы, а последовательные полосы отражают рост в ходе более поздних метаморфических событий (рис. 6). Новейшее поколение масс-спектрометров SHRIMP (Super High Resolution Ion Micoprobe) — чувствительных ионных микрозондов с высокой разрешающей способностью — позволяет определять изотопные соотношения для отдельных «колец роста» циркона толщиной всего 10 микрон, что в несколько раз тоньше волоса. Самые старые датировки цирконов из Джек-Хиллс получены для внутренних частей кристаллов, обросших многослойными оболочками. Подобно тому как годовые кольца одного старого дерева могут хранить в себе климатическую летопись целого региона, один древний зональный кристалл циркона может содержать тектоническую хронику всего континента.

Древний возраст зерен циркона из Джек-Хиллс еще более удивителен в свете того факта, что циркон образуется почти исключительно при кристаллизации гранитов и других магматических пород, которые слагают основание континентов. Граниты представляют собой магматическую породу, образовавшуюся из «эволюционировавшей» магмы. Это означает, что они не могут образоваться за одну стадию плавления мантии (которая является источником всех пород в планетарной коре). Сегодня основным источником гранитных пород считаются очаги вулканов в зонах субдукции, таких как гора Рейнир (высочайшая точка Каскадных гор), где эти породы образуются в результате частичного плавления более старой коры, обычно в присутствии воды (подробнее об этом написано в главе 3). Если самые старые цирконы из Джек-Хиллс были образованы таким же образом, то возможно, что их кристаллизации предшествовало существование еще более ранней коры, которая образовалась, застыла, а затем переплавлялась в течение первых 150 млн лет с момента рождения планеты. Не менее удивительно и то, что соотношение различных изотопов кислорода в древних цирконах предполагает, что магма, из которой они кристаллизовались, взаимодействовала с относительно холодной поверхностной водой. Отбросив традиционно присущую ученым сдержанность в выведении заключений, авторы упомянутой эпохальной статьи в журнале Nature выдвигают смелое предположение — на основе изучения нескольких кристаллов размером меньше блохи, — что 4,4 млрд лет назад на Земле существовали не только континенты и океаны, но и, исходя из присутствия поверхностных вод, возможно, даже жизнь.

Статья о цирконах из Джек-Хиллс, одна из самых цитируемых работ среди всей геологической литературы, представляла собой виртуозную кульминацию почти столетия изотопной геохимии и опиралась на самые передовые аналитические методы, доступные на тот момент. Тем не менее своими смелыми индуктивными умозаключениями и униформистским подходом она удивительным образом напоминала самый первый научный труд современной геологии — «Теорию Земли» Джеймса Геттона. Вопрос о том, распространяется ли принцип униформизма на раннюю Землю, сегодня вызывает жаркие дискуссии в геологическом сообществе, и есть веские основания полагать, что в первые 2 млрд лет своего существования Земля вела себя иначе, чем сейчас.

Как бы то ни было, история составления все еще незаконченного Атласа глубокого времени , от Сиккар-Пойнт до Чикшулуба и Джек-Хиллс, со всей наглядностью показывает, что картирование геологического времени — поистине общечеловеческое достижение, ставшее возможным благодаря самоотверженному труду бесчисленных теоретиков и практиков геологической науки: смелых мыслителей, не слишком одержимых деталями, таких как Геттон и Лайель; внимательных охотников за окаменелостями, таких как Уильям Смит; интеллектуалов-эрудитов, таких как Дарвин и Холмс, способных увидеть взаимосвязи между разными научными дисциплинами; дотошных лабораторных аналитиков, таких как Нир и Паттерсон; бюрократов из Международной комиссии по стратиграфии; а также легионов трудолюбивых безымянных полевых картографов (не только профессионалов, но и любителей), которые посвящают свою жизнь изучению и описанию камней в стремлении проникнуть в тайны не только хроноса , но и кайроса нашей планеты.